Какви са разликите между MBE и MOCVD технологиите?

И двата реактора за молекулярно-лъчева епитаксия (MBE) и металоорганично химическо отлагане на пари (MOCVD) работят в среда на чисти помещения и използват един и същ набор от метрологични инструменти за характеризиране на пластини. MBE с твърд източник използва елементарни прекурсори с висока чистота, нагрявани в ефузионни клетки, за да се създаде молекулярен лъч, който да позволи отлагане (с течен азот, използван за охлаждане). За разлика от това, MOCVD е процес на химични пари, използващ свръхчисти газови източници, за да се даде възможност за отлагане, и изисква предаване и намаляване на токсичните газове. И двете техники могат да произведат идентична епитаксия в някои материални системи, като арсениди. Обсъжда се изборът на една техника пред друга за конкретни материали, процеси и пазари.

Молекулярно-лъчева епитаксия

Реакторът MBE обикновено се състои от камера за прехвърляне на проба (отворена към въздуха, за да позволи зареждането и разтоварването на субстратите за вафли) и камера за растеж (обикновено запечатана и отворена само към въздуха за поддръжка), където субстратът се прехвърля за епитаксиален растеж . MBE реакторите работят в условия на ултрависок вакуум (UHV), за да предотвратят замърсяване от въздушни молекули. Камерата може да се нагрее, за да се ускори евакуацията на тези замърсители, ако камерата е била отворена за въздух.

Често изходните материали за епитаксия в MBE реактор са твърди полупроводници или метали. Те се нагряват над техните точки на топене (т.е. изпаряване на изходния материал) в ефузионни клетки. Тук атомите или молекулите се вкарват във вакуумната камера MBE през малък отвор, който дава силно насочен молекулен лъч. Това засяга нагрятия субстрат; обикновено направени от монокристални материали като силиций, галиев арсенид (GaAs) или други полупроводници. При условие, че молекулите не се десорбират, те ще дифундират върху повърхността на субстрата, насърчавайки епитаксиален растеж. След това епитаксият се натрупва слой по слой, като съставът и дебелината на всеки слой се контролират, за да се постигнат желаните оптични и електрически свойства.

Субстратът е монтиран централно, в рамките на камерата за растеж, върху отопляем държач, заобиколен от криощитове, обърнат към ефузионните клетки и затворната система. Държачът се върти, за да осигури равномерно отлагане и епитаксиална дебелина. Криощитовете са охлаждани с течен азот плочи, които улавят замърсители и атоми в камерата, които не са били предварително уловени на повърхността на субстрата. Замърсителите могат да бъдат от десорбция на субстрата при високи температури или от „препълване“ от молекулярния лъч.

Камерата на MBE реактора с ултрависок вакуум позволява използването на инструменти за наблюдение на място за контрол на процеса на отлагане. Отражателната високоенергийна електронна дифракция (RHEED) се използва за наблюдение на растежната повърхност. Лазерно отражение, термично изображение и химичен анализ (масспектрометрия, Оже спектрометрия) анализират състава на изпарения материал. Други сензори се използват за измерване на температури, налягания и скорости на растеж, за да се коригират параметрите на процеса в реално време.

Темп на растеж и корекция

Скоростта на епитаксиален растеж, която обикновено е около една трета от монослоя (0,1 nm, 1Å) за секунда, се влияе от скоростта на потока (броят атоми, пристигащи на повърхността на субстрата, контролиран от температурата на източника) и температурата на субстрата (което влияе върху дифузионните свойства на атомите върху повърхността на субстратите и тяхната десорбция, контролирана от топлината на субстрата). Тези параметри се регулират и наблюдават независимо в рамките на MBE реактора, за да се оптимизира епитаксиалният процес.

Чрез контролиране на темповете на растеж и доставката на различни материали с помощта на механична затворена система, трикомпонентни и четвъртични сплави и многослойни структури могат да се отглеждат надеждно и многократно. След отлагането субстратът се охлажда бавно, за да се избегне топлинен стрес и се тества, за да се характеризира неговата кристална структура и свойства.

Характеристики на материала за MBE

Характеристиките на материалните системи III-V, използвани в MBE, са:

●  Силиций: Растежът върху силициеви субстрати изисква много високи температури, за да се осигури десорбция на оксид (>1000°C), така че са необходими специални нагреватели и държачи за пластини. Проблеми около несъответствието в константата на решетката и коефициента на разширение правят III-V растежа върху силиций активна тема за научноизследователска и развойна дейност.

●  Антимон: За III-Sb полупроводници трябва да се използват ниски температури на субстрата, за да се избегне десорбция от повърхността. Може също да възникне „неконгруентност“ при високи температури, където един атомен вид може да бъде преференциално изпарен, за да останат нестехиометрични материали.

●  Фосфор: За III-P сплави, фосфорът ще се отложи във вътрешността на камерата, което изисква отнемащ време процес на почистване, което може да направи кратките производствени серии нежизнеспособни.

Металоорганично химическо отлагане на пари

Реакторът MOCVD има високотемпературна реакционна камера с водно охлаждане. Субстратите се позиционират върху графитен приемник, нагрят чрез RF, резистивно или инфрачервено нагряване. Реактивните газове се инжектират вертикално в процесната камера над субстратите. Равномерността на слоя се постига чрез оптимизиране на температурата, инжектирането на газ, общия газов поток, въртенето на фиксатора и налягането. Носещите газове са или водород, или азот.

За отлагане на епитаксиални слоеве MOCVD използва металоорганични прекурсори с много висока чистота като триметилгалий за галий или триметилалуминий за алуминий за елементите от група III и хидридни газове (арсин и фосфин) за елементите от група V. Металоорганичните вещества се съдържат в барботери за газов поток. Концентрацията, инжектирана в процесната камера, се определя от температурата и налягането на металоорганичния и носещия газов поток през барботера.

Реагентите се разлагат напълно върху повърхността на субстрата при температурата на растеж, освобождавайки метални атоми и органични странични продукти. Концентрацията на реагентите се регулира, за да се получат различни структури от сплави III-V, заедно със система за превключване на движение/отдушник за регулиране на сместа от пари.

Субстратът обикновено е монокристална пластина от полупроводников материал като галиев арсенид, индиев фосфид или сапфир. Той се зарежда върху токоприемника в реакционната камера, над която се инжектират прекурсорните газове. Голяма част от изпарените металоорганични и други газове преминават през нагрятата камера за растеж непроменени, но малко количество претърпява пиролиза (напукване), създавайки подвид материали, които абсорбират върху повърхността на горещия субстрат. След това повърхностна реакция води до включването на елементите III-V в епитаксиален слой. Като алтернатива може да възникне десорбция от повърхността, като неизползваните реагенти и реакционните продукти се евакуират от камерата. Освен това, някои прекурсори могат да предизвикат „отрицателен растеж“ ецване на повърхността, като например при въглеродно допиране на GaAs/AlGaAs и със специални източници на ецващи средства. Сцепторът се върти, за да осигури постоянен състав и дебелина на епитаксия.

Температурата на растеж, необходима в MOCVD реактора, се определя основно от необходимата пиролиза на прекурсорите и след това се оптимизира по отношение на подвижността на повърхността. Скоростта на растеж се определя от налягането на парите на металоорганичните източници от група III в барботерите. Повърхностната дифузия се влияе от атомни стъпки на повърхността, като поради тази причина често се използват неправилно ориентирани субстрати. Растежът върху силициеви субстрати изисква много високотемпературни етапи, за да се осигури десорбция на оксид (>1000°C), изискващи специални нагреватели и държачи за пластинови субстрати.

Вакуумното налягане и геометрията на реактора означава, че техниките за мониторинг на място варират от тези на MBE, като MBE обикновено има повече опции и възможности за конфигуриране. За MOCVD пирометрията с коригирана емисионна способност се използва за измерване на температурата на повърхността на пластината на място (за разлика от дистанционното измерване с термодвойка); отразяващата способност позволява да се анализира грапавостта на повърхността и скоростта на епитаксиален растеж; вафлен лък се измерва чрез лазерно отражение; и доставените органометални концентрации могат да бъдат измерени чрез ултразвуков мониторинг на газа, за да се повиши точността и възпроизводимостта на процеса на растеж.

Обикновено сплавите, съдържащи алуминий, се отглеждат при по-високи температури (>650°C), докато слоевете, съдържащи фосфор, се отглеждат при по-ниски температури (<650°C), с възможни изключения за AlInP. За AlInGaAs и InGaAsP сплави, използвани за телекомуникационни приложения, разликата в температурата на крекинг на арсина прави управлението на процеса по-просто, отколкото при фосфина. Въпреки това, за епитаксиално повторно израстване, където активните слоеве са ецвани, фосфинът е за предпочитане. За антимонидни материали възниква непреднамерено (и като цяло нежелано) въглеродно включване в AlSb, поради липсата на подходящ източник на прекурсор, което ограничава избора на сплави и по този начин поглъщането на антимониден растеж от MOCVD.

За силно напрегнати слоеве, поради способността за рутинно използване на арсенидни и фосфидни материали, са възможни балансиране на напрежението и компенсация, като например за GaAsP бариери и InGaAs квантови ямки (QW).

Резюме

MBE обикновено има повече опции за наблюдение на място от MOCVD. Епитаксиалният растеж се регулира от скоростта на потока и температурата на субстрата, които се контролират отделно, със свързан мониторинг на място, позволяващ много по-ясно, директно разбиране на процесите на растеж.

MOCVD е много гъвкава техника, която може да се използва за отлагане на широка гама от материали, включително съставни полупроводници, нитриди и оксиди, чрез промяна на химията на прекурсора. Прецизният контрол на процеса на растеж позволява производството на сложни полупроводникови устройства с персонализирани свойства за приложения в електрониката, фотониката и оптоелектрониката. Времето за почистване на камерата MOCVD е по-бързо от MBE.

MOCVD е отличен за повторен растеж на лазери с разпределена обратна връзка (DFBs), заровени хетероструктурни устройства и челно съединени вълноводи. Това може да включва ецване на място на полупроводника. Следователно MOCVD е идеален за монолитна InP интеграция. Въпреки че монолитната интеграция в GaAs е в начален стадий, MOCVD позволява селективен растеж на площта, където диелектричните маскирани области помагат за разпределяне на дължините на вълните на излъчване/абсорбция. Това е трудно да се направи с MBE, където могат да се образуват поликристални отлагания върху диелектричната маска.

Като цяло, MBE е предпочитаният метод за растеж за Sb материали, а MOCVD е изборът за P материали. И двете техники за растеж имат подобни възможности за базирани на As материали. Традиционните пазари само за MBE, като електрониката, вече могат да бъдат обслужвани еднакво добре с растежа на MOCVD. Въпреки това, за по-напреднали структури, като квантови точки и квантови каскадни лазери, MBE често се предпочита за основната епитаксия. Ако се изисква епитаксиално повторно израстване, тогава MOCVD обикновено се предпочита, поради неговата гъвкавост при ецване и маскиране.